Когда астронавты приземлятся на Луне в недалеком будущем, возможно, они посетят аванпост, где смогут забрать немного топлива и контейнер с освежающей жидкостью.
Этот аванпост не будет предлагать безалкогольные напитки Big Gulp на 64 унции, которые вы найдете во многих круглосуточных магазинах по всей стране, но он будет предлагать критически важный товар - воду.
Исследования, проводимые учеными-материаловедами, могут привести к возможности извлекать воду с Луны и, возможно, с Марса, направляя микроволновые лучи на их поверхность, по словам Билла Кауклера, доцента-исследователя Центра исследования материалов Университета. Алабамы в Хантсвилле.
«Многие думают, что на Луне нет воды, - сказал Кауклер. «Это правда, что не во всех частях Луны есть вода. Там, где приземлялись миссии «Аполлон», воды не так много, потому что половина времени она подвергается воздействию солнца. Однако в полярных регионах исследовательские спутники обнаружили огромное количество воды. водорода, что свидетельствует о существовании воды».
Кауклер проводил исследования совместно с НАСА более 25 лет, а последние три года изучал использование микроволн для пополнения запасов воды в космических миссиях или в качестве ракетного топлива.
Поверхность Луны покрыта реголитом глубиной более двух метров (похожим на почву), слоем рыхлого, порошкообразного, неоднородного материала, созданного сотнями миллионов лет бомбардировки метеоритами и кометами. Под этим покрытием лежит коренная порода. «Лед находится всего в нескольких дюймах от поверхности Луны в кратерах на полюсах (где солнечный нагрев не происходит)», - сказал он.
Кауклер и ученый из Центра космических полетов им. Маршалла Эдвин Этридж проводят исследования по использованию микроволн для нагрева лунного реголита, чтобы поднять воду на поверхность.
«Использование микроволн для нагрева почвы дает несколько преимуществ», - сказал Кауклер. «Микроволны не сильно поглощаются реголитом (почвой), поэтому они могут проникать в почву на несколько футов и нагревать ее». По словам Кауклера, нагрев возможен, потому что в почве Луны содержится около 5 процентов железа, аналогичного вулканической породе на Земле. Микроволновое поглощение является наиболее эффективным методом нагрева больших объемов реголита или породы.
Он сказал, что исследования показывают, что если реголит можно нагреть от минус 150 градусов по Цельсию до минус 50 градусов, давление паров воды, смешанной с частицами реголита, будет намного выше, чем атмосферное давление Луны. Кауклер сказал, что вакуумная среда Луны буквально просачивает водяной пар на поверхность через частицы реголита. Водяной пар собирается на холодной (ниже минус 50°C) пластине, где он превращается в лед и соскребается для потребления человеком или может быть преобразован электролизом в водород и кислород для использования в качестве топлива и окислителя, которые можно использовать в космическом путешествии, например, на Марс.
Ученые были уверены в своих исследованиях, но были воодушевлены выводами, сделанными этим летом, когда посадочный модуль Phoenix Mars подтвердил наличие водяного льда на поверхности Марса. Посадочный модуль процарапал всего два дюйма ниже поверхности Марса, чтобы обнажить лед.
Кауклер, Этридж и другие материаловеды разработали прототип и использовали смоделированный лунный реголит для проверки своих идей. Их прототип имеет мощность один киловатт, примерно такую же, как у обычной бытовой микроволновой печи.
Их эксперименты показывают, что они способны удалять 99 процентов водяного льда посредством сублимации, или превращения замороженной воды непосредственно в газ, и могут захватывать 95 процентов освобожденной воды.
В то время как однокиловаттное устройство может подтвердить концепцию, Кауклер сказал, что 10-киловаттное устройство ускорит процесс сбора воды и сделает его более эффективным на поверхности Луны. Он представляет роботизированное передвижное устройство, работающее от ядерного генератора, которое будет бродить по поверхности Луны в поисках источников воды.
Кауклер считает, что концепция запуска микроволновых лучей на поверхность Луны или Марса для извлечения воды дает несколько явных преимуществ: отсутствие необходимости выкапывать реголит и помещать его в печь является большим преимуществом, поскольку тяжелое оборудование победит. быть нужным; важно оставить Луну практически нетронутой; не беспокоясь о лежащей в основе геологии, практично, поскольку скрытые или зарытые камни (в которых нет воды) могут повредить оборудование для рытья.
Возможно, наиболее важным фактором этого проекта является отсутствие воды в пути, что позволяет сэкономить место и вес в дальних поездках. «Это суть концепции использования ресурсов на месте или ISRU», - сказал Кауклер.«Философия заключается в том, чтобы использовать то, что есть на Луне (или Марсе), для создания среды обитания без необходимости привозить материал с Земли».
Другим важным фактором является безопасность. По словам ученых, микроволновый процесс проникает в поверхность на глубину не менее двух метров, что устраняет необходимость копать поверхность, чтобы добраться до льда. Кауклер сказал, что идея поднимать пыль при раскопках на Луне представляет проблему для оборудования и астронавтов, если абразивная пыль попадет в неправильные места, как это произошло с астронавтами Аполлона.
Исследования продолжаются, по словам Кауклера. Необходимы дополнительные исследования, чтобы узнать об электромагнитных свойствах реголита в различных микроволновых частотах. Изменение этих частот может позволить устройству проникнуть глубже в поверхность, если это необходимо для достижения дополнительной воды.
Кауклер и Этридж также изучают использование микроволн для плавления или спекания реголита для создания структур на Луне.
Важной концепцией, которую они разработали, было использование микроволнового плавления поверхности реголита для получения беспылевой корки. Такие поверхности используются в качестве посадочной площадки (ракеты не поднимают пыль вокруг места приземления), рабочих поверхностей для стабилизации оборудования и полов или дорог, по которым космонавты могут жить и путешествовать. Обычные кирпичи, блоки или стены также могут быть подготовлены таким образом, без использования клея или специального цемента в Moon.